(PhysOrg.com) -- Onderzoekers hebben een groot obstakel overwonnen bij hun pogingen om minuscule structuren, koolstofnanobuisjes genaamd, te gebruiken om een ​​nieuwe klasse elektronica te creëren die sneller en kleiner zou zijn dan conventionele op silicium gebaseerde transistors.

Koolstof nanobuisjes, die in het begin van de jaren negentig werden ontdekt, krachtiger zou kunnen maken, compacte en energiezuinige computers, evenals ultradunne "nanodraden" voor elektronische circuits. De nanobuisjes zijn misschien ideaal voor toekomstige elektronica omdat ze elektriciteit efficiënter geleiden dan enig ander metaal, maar hun praktische toepassing vereist dat ze volgens specifieke normen worden vervaardigd.

Nu wetenschappers in de Materials Science Division van het Honda Research Institute USA Inc., Purdue University en de University of Louisville hebben geleerd hoe ze de vorming van koolstofnanobuisjes kunnen beheersen, zodat ze metaalachtige of halfgeleidende eigenschappen hebben.

"Dit probleem van hoe je kunt bepalen of je een metaal of een halfgeleider hebt, is het belangrijkste struikelblok bij het maken van transistors uit koolstofnanobuizen, " zei Eric Stach, een universitair hoofddocent materiaalkunde aan Purdue. "Solid-state elektronica is gebouwd rond het feit dat je de halfgeleidende eigenschappen van silicium kunt controleren."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die op vrijdag (2 oktober) in het tijdschrift verschijnt Wetenschap . Het onderzoek wordt geleid door Avetik Harutyunyan, hoofdwetenschapper aan het Honda Research Institute USA Inc. in Columbus, Ohio.

"Dit is het eerste rapport dat laat zien dat we vrij systematisch kunnen controleren of koolstofnanobuizen van metaal of halfgeleidend zijn, " zei Harutyunyan. "We hebben een slagingspercentage van 91 procent voor het produceren van metalen nanobuisjes."

Op silicium gebaseerde transistoren regelen de stroom van elektronen door specifieke combinaties van metalen en halfgeleiders te gebruiken. Onderzoekers werken eraan om te leren hoe ze de eigenschappen van koolstofnanobuisjes nauwkeurig kunnen regelen, zodat ze kunnen worden gebruikt als zowel de halfgeleider- als metalen componenten van transistors.

"Over het algemeen, koolstof is geen metaal, maar koolstofnanobuizen met een bepaalde configuratie zijn, ' zei Stack.

Halfgeleiders, zoals silicium, gedragen zich soms als geleiders en soms als isolatoren, terwijl metalen zich altijd als geleiders gedragen. Onderzoekers weten al jaren dat koolstofnanobuizen willekeurig worden gevormd, zodat ze soms van metaal zijn en soms van halfgeleiders. maar tot nu toe hebben ze de precieze redenen niet geweten waarom.

Koolstofnanobuisjes kunnen worden gevisualiseerd als vellen koolstofatomen van één laag dik en opgerold tot buizen. Net als de spoed van een schroef, ze kunnen een andere configuratie hebben, afhankelijk van hoe ze oprollen, en deze configuratie bepaalt of ze geleiden als een metaal of een halfgeleider.

De nanobuisjes worden "gekweekt" in een vacuümkamer door ijzerdeeltjes bloot te stellen aan methaangas. Het gas bevat koolstof en waterstof, en de ijzerdeeltjes werken als een katalysator om koolstof uit het gas vrij te maken. De deeltjes worden verhit tot ongeveer 800 graden Celsius, of meer dan 1, 400 graden Fahrenheit. Met toenemende blootstelling, het ijzer bevat uiteindelijk te veel koolstof en wordt "oververzadigd". Als resultaat, de koolstof slaat neer als een vaste stof, waardoor de nanobuis begint te vormen.

Honda-onderzoekers hebben onlangs geleerd dat ze konden bepalen of de koolstofnanobuisjes metaal of halfgeleider worden door argon of helium als "draaggassen" te gebruiken om het methaan in de aanwezigheid van water in de kamer te laten stromen.

Onderzoekers in Louisville gebruikten de techniek om grote hoeveelheden nanobuisjes te produceren en voerden zorgvuldige elektrische metingen uit om te bevestigen of de nanobuisjes van metaal of halfgeleider waren.

Purdue-onderzoekers namen afbeeldingen met een hoge resolutie met behulp van een instrument dat een transmissie-elektronenmicroscoop wordt genoemd om te bepalen waarom het proces werkt.

"Met het instrument kun je foto's maken terwijl de nanobuisjes zich vormen, " zei Stach. "We kunnen de atomaire structuur van de materialen zien terwijl we ook kijken naar hoe de omgeving ze beïnvloedt."

Het Purdue-gedeelte van het onderzoek is gebaseerd op het Birck Nanotechnology Centre in het Discovery Park van de universiteit.

"Deze bevindingen bieden inzicht in de intieme relatie tussen de atomaire structuur van het katalysatornanodeeltje en de koolstofnanobuis die uit dat katalysatornanodeeltje groeit, " zei Timothy D. Sands, de Mary Jo en Robert L. Kirk directeur van het Birck Nanotechnology Center. "De resultaten laten ook zien dat de atomaire structuur van het nanodeeltje van de katalysator kan worden gecontroleerd door het omringende dragergas, een koppeling die de eerste stap kan zijn naar een oplossing voor een van de meest irritante uitdagingen in nanotechnologie."

De Purdue-onderzoekers ontdekten dat als helium wordt gebruikt in plaats van argon, de ijzerdeeltjes hebben een specifieke grootte en vorm en hebben ook uitgesproken facetten, maar de facetten nemen af ​​en de deeltjesgrootte varieert wanneer argon wordt gebruikt.

"De facetten vormen bijna haaks, maar als je overschakelt van helium naar argon, worden die facetten afgerond, " zei Stach. "Het helium en de aanwezigheid van deze sterke facetten, samen met de grootte van de ijzerdeeltjes, lijkt te zijn wat de creatie van de metalen nanobuisjes mogelijk maakt.

"Onze resultaten geven aan dat je misschien de grootte en vorm van de katalysator voldoende kunt regelen om de structuur en dus de geleidbaarheid van de nanobuisjes te beheersen. Het is de eerste demonstratie van een deterministische relatie tussen de katalysatortoestand en de resulterende nanobuisstructuur. "

Onderzoekers weten niet zeker welke rol het water speelt in het proces.

"Het water zou de vorming van de facetten kunnen bevorderen, en de argon zou het water op de een of andere manier kunnen verhinderen dit te doen, maar er is meer onderzoek nodig om dit te bepalen, ' zei Stack.

Het werk is aan de gang en wordt gefinancierd door Honda.

Bron:Purdue University (nieuws:web)